Спосіб одержання нанокристалічного порошку діоксиду цирконію моноклинної модифікації

Спосіб одержання нанокристалічного порошку діоксиду цирконію моноклинної модифікації, що включає взаємодію азотнокислого розчину цирконію та аміаку з подальшим відмиванням осаду, 3 ноклинної модифікації, в якому за рахунок очищення певним способом діоксиду цирконію, що одержують в результаті термопарової обробки очищеного певним способом водного розчину солі цирконію, наприклад оксихлориду цирконію ZrOCl2∙8H2O, підвищується хімічна чистота та монодисперсність порошку діоксиду цирконію моноклиної модифікації. Поставлена задача вирішується тим, що спосіб одержання моноклинного діоксиду цирконію, який включає термопарову обробку в автоклаві на протязі 2-10 год при тиску 6-10атм діоксиду цирконію, отриманого при взаємодії азотнокислого розчину цирконію та аміаку, згідно з корисною моделлю діоксид цирконію одержують в результаті термопарової обробки при температурі 170-220°С водного розчину оксихлориду цирконію, який отримують при розчиненні в воді оксихлориду цирконію ZrOCl2∙8H2O доведенням його до кипіння з наступним відстоюванням не менше 20 год при температурі не вище 10°С і відділенням від нерозчинних домішок, що випадають при цьому в осад, а отриманий після термопарової обробки порошок діоксиду цирконію промивають спочатку розчином соляної кислоти (рН7) та висушують в азеотропній суміші з ізопропиловим спиртом. Відділення водного розчину оксихлориду цирконію перед термопаровою обробкою від нерозчинних домішок, що випадають в осад при відстоюванні розчину оксихлориду цирконію, попередньо доведеного до кипіння, на протязі не менш 20 год при температурі не вище 10°С, дозволяє зменшити присутність в готовому порошку домішок SiO2, Аl2О3, Сr2О3, Na2O, Fe2O3, СаО та ін. А промивання отриманого в результаті високотемпературного гідролізу осаду діоксиду цирконію спочатку розчином соляної кислоти (рН7) дозволяє очистити порошок від розчинних домішок (іонів Fe+3, Аl+3, Сr+3, Na+ та ін.). Остаточне осушення одержаного після гідротермальної обробки порошку діоксиду цирконію в азеотропній суміші з ізопропиловим спиртом дозволяє вивести домішки Н2О з нього. Це запобігає утворенню агломератів, зменшує інтервал розподілу частинок за розмірами і підвищує монодисперсність готового порошку. Таким чином, забезпечується висока хімічна чистота і монодисперсність нанокристалічного моноклинного діоксиду цирконію. Для одержання порошку способом, що заявляється, використовуються наступні реактиви: - цирконій (IV) оксихлорид, 8-водний, хч ТУ 609-3677-74 «Цирконий оксихлорид 8-водний»; - вода дистильована ГОСТ 6709-72 «Вода дистиллированная. Технические условия»; - ізопропиловий спирт; - кислота соляна ГОСТ 3118 «Кислота соляная. Технические условия». Для реалізації способу, що заявляється використовується стандартне устаткування: - ваги загального призначення з границею зважування до 10кг 3 класу точності ГОСТ 24104 «Весы лабораторные общего назначения и образцовые. Общие технические условия»; 51986 4 - ваги лабораторні аналітичні з границею зважування до 200г 2 класу ГОСТ 24104 «Весы лабораторные общего назначения и образцовые. Общие технические условия»; - скляна відкрита ємність циліндричної форми з вогнетривкого скла об'ємом 15л; - мішалка пропелерна; - паперові фільтри «жовта стрічка» ГОСТ 12026-92 «Бумага фильтровальная лабораторная. Технические условия»; - скляна відкрита ємність циліндричної форми обсягом 10л; - скляна відкрита ємність циліндричної форми обсягом 3л; - кругла скляна колба ємністю 1л; - рН-метр типу рН-673; - циліндр мірний місткістю 2л 2 класу точності ГОСТ 1770-74 «Посуда мерная лабораторная стеклянная, цилиндры, мензурки, колбы, пробирки»; - автоклав лабораторний ємністю 2л; - електрична піч опору, що забезпечує нагрівання до температури 300°С; - холодильна камера; - шафа сушильна, що забезпечує нагрівання до температури 300°С. Хімічний аналіз на вміст основної речовини (ZrO2) в одержаному порошку проводили за відомою методикою [Книпович Ю.Н., Марчевский Ю.В. Анализ минерального сырья. Изд.второе. Ленинград: Госуд. научно-технич. из-до хим. л-ры. - 1956. - 1055 с.]. Вміст домішок визначали методом атомноадсорбціонної спектрскопії. Рентгенофазовий аналіз проводили на дифрактометрі ДРОН-3М (СuKα-випромінювання). Розмір частинок визначали методом просвічуючої мікроскопії. Величину питомої поверхні (S) визначали методом низькотемпературної адсорбції та теплової десорбції азоту (БЕТ) Приклад 1 У скляну відкриту ємність циліндричної форми з вогнетривкого скла об'ємом 15л відміряють за допомогою мірного циліндра місткістю 2л 8л дистильованої води, ставлять на електропіч, доводять до кипіння та при постійному перемішуванні за допомогою пропелерної мішалки порціями завантажують 2,1кг оксихлориду цирконію. Перемішування здійснюють до повного розчинення оксихлориду цирконію, після чого електропіч і мішалку відключають. Розчин оксихлориду цирконію охолоджують до кімнатної температури та фільтрують через паперовий фільтр «жовта стрічка» ГОСТ 12026-92 «Бумага фильтровальная лабораторная. Технические условия» від механічних домішок, після чого поміщають у холодильну камеру для відстоювання 20 год при температурі 10°С, в процесі якого утворюється осад із нерозчинних домішок та інших нерозчинних вкраплень. Обережно відділяють розчин від осаду. У круглу скляну колбу ємністю 1л заливають очищений розчин оксихлориду цирконію в кількості 1л. Колбу поміщають в автоклав, який герметизують і поміщають у шафу сушильну. Процес здійс 5 51986 нюють при температурі 170°С на протязі 6 год, після чого нагрів сушильної шафи відключають і автоклав охолоджують разом із шафою. Після завершення процесу охолодження автоклав виймають із сушильної шафи, розгерметизують і дістають колбу із суспензією, що утворилася. Суспензію виливають у скляну відкриту ємність 6 циліндричної форми місткістю 10л і відстоюють до утворення осаду, після чого прозорий матковий розчин зливають, а осад відмивають спочатку соляною кислотою (рН7) і сушать при кімнатній температурі в азеотропної суміші з ізопропиловим спиртом. Властивості кінцевого продукту наведені в таблиці. Таблиця Властивості кінцевого продукту 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Умови одержання порошків Суш. Хол. Тобр. Пром. в відст. °С HCl сум.зі год/Т°С сп. 170 20/10 + + 200 20/10 + + 220 20/10 + + 160 20/10 + + 230 20/10 + + 170 18/10 + + 170 20/11 + + 170 20/10 + 170 20/10 + Аl Si 0,002 0,002 0,002 0,002 0,002 0,007 0,008 0,003 0,002 0,003 0,003 0,003 0,003 0,003 0,006 0,006 0,004 0,003 Властивості порошків Вміст домішок, % мас Фаз. склад Сr Fe Са Na Ті 0,001 0,001 0,001 0,001 0,001 0,006 0,006 0,004 0,001 0,002 0,002 0,002 0,002 0,002 0,005 0,006 0,004 0,002 0,001 0,001 0,001 0,001 0,001 0,005 0,005 0,003 0,001 Приклад 2 Виконували аналогічно прикладу 1 за винятком того, що гідротермальну обробку здійснювали при температурі 200°С. Властивості кінцевого продукту наведені в таблиці. Приклад 3 Виконували аналогічно прикладу 1 за винятком того, що гідротермальну обробку здійснювали при температурі 220°С. Властивості кінцевого продукту наведені в таблиці. Приклад 4 Виконували аналогічно прикладу 1 за винятком того, що гідротермальну обробку здійснювали при температурі 160°С. Властивості кінцевого продукту наведені в таблиці. Приклад 5 Виконували аналогічно прикладу 1 за винятком того, що гідротермальну обробку здійснювали при температурі 230°С. Властивості кінцевого продукту наведені в таблиці. В межах інтервалу температур гідротермальної обробки, що заявляється (приклади 1-3), поставлена задача досягається. При температурах гідротермальної обробки нижче інтервалу температур, що заявляється, фазовий склад порошку неоднорідний, поряд із моноклинним діоксидом цирконію спостерігається аморфна фаза (приклад 4), а при вищих температурах (приклад 5) - збільшуються розміри частинок у порошку, що погіршує якість одержаного порошку. Приклад 6 Виконували аналогічно прикладу 1 за винятком того, що гідротермальній обробці підлягав розчин оксихлориду цирконію, який відстоювали 18 год при температурі 10°С. Властивості кінцевого продукту наведені в таблиці. У цьому випадку зміст шкідливих домішок Аl, Si, Na, Fe, Са та ін. в порошку збільшується, що погіршує якість одержаного порошку. Приклад 7 Виконували аналогічно прикладу 1 за винят 0,001 0,001 0,001 0,001 0,001 0,005 0,005 0,003 0,001 0,001 0,001 0,001 0,001 0,001 0,002 0,002 0,001 0,001 М М М М+А М М М М М S, м2/г 43,5 36,28 31,3 47,65 27,78 43,5 43,5 43,5 43,5 Розмір Розмір Досягнення задачі агломератів, частинок, d, мкм d, нм 11 17 20 11 32 11 11 11 42 12 15 18 10 24 12 12 12 30 Да Да Да Ні Ні Ні Ні Ні Ні ком того, що гідротермальній обробці підлягав розчин оксихлориду цирконію, який відстоювали 20 год при температурі 11°С. Властивості кінцевого продукту наведені в таблиці. У цьому випадку зміст шкідливих домішок Аl, Si, Na, Fe, Са та ін. в порошку збільшується, що погіршує якість одержаного порошку. Приклад 8 Виконували аналогічно прикладу 1 за винятком того, що осад діоксиду цирконію, який утворився в результаті гідротермальної обробки очищеного розчину оксихлориду цирконію, не промивали соляною кислотою. Властивості кінцевого продукту наведені в таблиці. У цьому випадку зміст шкідливих домішок Fe, Al, Na та ін. в порошку збільшується, отже якість одержаного порошку погіршується. Приклад 9 Виконували аналогічно прикладу 1 за винятком того, що промитий осад діоксиду цирконію, який утворився в результаті гідротермальної обробки, не сушили в азеотропній суміші з ізопропиловим спиртом. Властивості кінцевого продукту наведені в таблиці. У цьому випадку збільшуються розміри і міцність агломератів, що потребує додаткового помелу і знижує якість одержаного порошку. Таким чином, запропонований спосіб забезпечує одержання нанокристалічного монодисперсного порошку діоксиду цирконію моноклинної модифікації з підвищеною хімічною чистотою, який може використовуватися при виробництві керамічних матеріалів на основі діоксиду цирконію з підвищеними експлуатаційними властивостями, а саме функціональної кераміки (паливні елементи, сенсори, твердоелектролітні датчики), конструкційної кераміки (деталі машин, плунжери, пари тертя), інструментальної кераміки (леза), кераміки медичного призначення (кісткові імплантати, скальпелі, фільтри). Запропонована корисна модель була викорис 7 51986 тана при виробництві керамічного матеріалу на основі діоксиду цирконію для виготовлення дослідної партії керамічних головок ендопротезів куль Комп’ютерна верстка А. Крулевський 8 шового суглоба, які будуть використовуватися в травматології та ортопедії при ендопротезуванні суглобів. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601